Размещено на http://www.allbest.ru/

Окисно-відновні реакції в аналітичній хімії

Вступ

Головним предметом вивчення в хімії є хімічна реакція. Глибоке знання сутності та закономірностей протікання хімічних реакцій дає можливість керувати ними і використовувати для синтезу нових речовин. Засвоєння загальних закономірностей протікання хімічних реакцій необхідно для подальшого вивчення властивостей неорганічних і органічних речовин. Більшість хімічних процесів, що протікають в природі і здійснювані людиною в її практичній діяльності, являють собою окислювально-відновні реакції. Як приклад можна навести такі процеси: фотосинтез, горіння природний газ, отримання металів з руд, синтез аміаку.

Застосування окисно-відновних реакцій величезне. Вони використаються в якісному та кількісному аналізі речовин, біохімічних процесах, для отримання нових важливих речовин. Рівняння цих реакцій цікаві своєю складністю і особливістю.

1. Основні поняття. Фактори, що впливають на перебіг окисно-відновних реакцій

Характерною особливістю реакцій окиснення-відновлення являється перехід електронів між реагуючими частинками. Частинку, що приймає електрон, зазивають окисником, а ту, що віддає, - відновником. Наприклад, у реакції

Fe²⁺ + Ce⁴⁺ = Fe³⁺ + Ce³⁺ (1.1)

електрони від Fe²⁺ переходять до Ce⁴⁺, у результаті чого ступінь окиснення (і позитивний заряд) іона церія зменшується, а іона феруму збільшується. Іон Ce⁴⁺ в даному випадку являється окисником, а іон Fe²⁺ - відновником. Таким чином, процес окиснення однієї речовини виявляється нерозривно пов'язаним з відновленням іншого, тому реакції такого типу називаються окисно-відновними.

Кожну окисно-відновну реакцію можна представити як суму двох напівреакцій, одна з яких відображає перетворення окисника, а інша - відновника. Наприклад, в реакції (1.1) рівняння напівреакції з окисником має вигляд

Ce⁴⁺ + е^- = Ce³⁺ (1.2)

а з відновником

Fe²⁺ = Fe³⁺ + е ^- (1.3)

Підсумовування (1.2) та (1.3) дає рівняння хімічної реакції (1.1). Цілком зрозуміло, що при підсумовуванні необхідно передбачити, щоб у відповідності з законом електронейтральності розчину число електронів, що віддаються відновником, точно дорівнювало числу електронів, що приймаються окисником. На цьому ґрунтується електронно-іонний метод підбору коефіцієнтів в окисно-відновних реакціях, найбільш наочний та універсальний.

Еквівалентом окисника або відновника називається його частка (реальна або умовна), яка, відповідно, приєднує або віддає один електрон.

Молярна маса еквівалента ¹/_z М (Х) окисника або відновника дорівнює їх молярної масі М(Х), помноженої на фактор їх еквівалентності ¹/_z в даній реакції.

Фактор еквівалентності окисника або відновника дорівнює ¹/_z, де z - число електронів, прийнятих або відданих однією часткою (молекулою, атомом, іоном) окисника або відновника. Тому молярна маса еквівалента окисника або відновника обчислюється за рівнянням:

М(¹/_z Х) = М(Х)/z.

1.2 Фактори, що впливають на протікання окисно-відновних реакцій

Характер протікання окисно-відновних реакцій залежить від:

· концентрації реагенту;

Zn + H₂SO_{4 (розв.)} ZnSO₄ + H₂ окисник Н⁺;

3Zn + 4H₂SO_{4 (конц.)} 3ZnSO₄ + S + 4H₂O окисник S⁺⁶.

· температури реакції;

на холоді:

Cl₂ + 2KOH KCl + KClO + H₂O;

при нагріванні:

3Cl₂ + 6 KOH 5KCl + KClO₃ + 3H₂O.

· наявності каталізатора;

без каталізатора:

4NH₃ + 3O₂ 2N₂ + 6H₂O;

з каталізатором:

4NH₃ + 5O₂ 4NO + 6H₂O.

· вплив характеру середовища

кисле середовище:

2KMnO₄ + 5Na₂SO₃ + 3H₂SO₄ 2MnSO₄ + K₂SO₄ + 5Na₂SO₄ + 3H₂O;

2| MnO₄^- + 8H⁺ + 5e ^- Mn²⁺ + 4H₂O;

5| SO₃^2- + H₂O - 2e ^- SO₄^2- + 2H⁺.

нейтральне середовище:

2KMnO₄ + 3Na₂SO₃ + H₂O 2MnO₂ + 3Na₂SO₄ + 2KOH;

2| MnO₄^- + H₂O + 3e ^- MnO₂ + 4OH^-;

3| SO₃^2- + 2OH^- - 2e ^- SO₄^2- + H₂O.

лужне середовище:

2KMnO₄ + Na₂SO₃ + 2KOH 2K₂MnO₄ + Na₂SO₄ + H₂O;

2| MnO₄^- + 1e ^- MnO₄^2-;

1| SO₃^2- + 2OH^- - 2e ^- SO₄^2- + H₂O.

В окисно-відновних реакціях, що протікають у водних розчинах, часто беруть участь вода або її іони, які не тільки сприяють передачі електронів від відновника до окисника, а й пов'язують компоненти даних перетворень. Особливо це важливо для біохімічних окисно-відновних реакцій, що завжди протікають у водних розчинах.

2. Напрямок протікання окисно-відновних реакцій

В основі визначення напрямку мимовільного протікання окисно-відновних реакцій лежить наступне правило: окисно-відновні реакції мимовільно протікають завжди в бік перетворення сильного окисника в слабкий зв'язаний відновник або сильного відновника в слабкий зв'язаний окисник.

Кількісною мірою окисно-відновної здатності даної сполученої окисно-відновної пари є величина її відновного потенціалу, яка залежить від:

· природи окисненої і відновленої форми даної пари;

· співвідношення концентрацій окисненої і відновленої форми даної сполученої пари;

· температури.

Суть окисно-відновних реакцій полягає в конкуренції за приєднання електрона між окисниками, що беруть участь. При цьому електрон приєднує та пара, окиснена форма якої сильніше його утримує.

Зіставляючи потенціали сполучених пар, що беруть участь в окисно-відновній реакції, можна заздалегідь визначити напрямок, в якому буде мимовільно протікати та чи інша реакція.

При взаємодії двох сполучених окисно-відновних пар окисником завжди буде окиснена форма тієї пари, потенціал якої має більш позитивне значення.

Для визначення напрямку окисно-відновної реакції можна також користуватися величиною її ЕРС.

ЕРС окисно-відновної реакції в стандартних умовах чисельно дорівнює різниці стандартних потенціалів сполучених окисно-відновних пар, що беруть участь в реакції:

Е° = -

Умовою мимовільного протікання окисно-відновної реакції є позитивне значення її ЕРС, тобто

Е° = - > 0

Кількісною характеристикою протікання будь-яких оборотних процесів є константа рівноваги К, яка пов'язана зі зміною стандартної енергії Гіббса:

ДG = -2,3RT lg K

Окисно-відновні реакції лежать в основі метаболізму будь-яких організмів. У разі аеробного метаболізму основним окисником є молекулярний кисень, що надходить в процесі дихання, а відновником - органічні сполуки, які надходять з продуктами харчування. При анаеробному метаболізмі в його основі лежать переважно окисно-відновні реакції, в яких і окисниками, і відновниками є органічні сполуки.

3. Окисно-відновні титрування. Теоретичні основи

Реакції окиснення-відновлення лягли в основу групи методів титриметричного аналізу, які називають методами окисно-відновного титрування, або редоксметрії. Залежно від типу реакцій і робочих розчинів розрізняють такі методи:

1. Перманганатометричне титрування, титрант - розчин КМnO₄.

2. Йодометричне титрування - в основі лежить взаємодія з йодом.

3. Броматометричне титрування, титрант - розчин KBrO₃.

4. Дихроматометричне титрування, титрант - розчин K₂Cr₂O₇.

5. Нітритометричне титрування, титрант - розчин NaNO₂.

В якості титрантів в окисно-відновному титруванні застосовують розчини окисників і відновників. Вони в залежності від умов можуть вступати в реакції, у яких передається різна кількість електронів, тому часто окисники і відновники не мають постійного еквівалента.

3.1.1 Перманганатометричне титрування